CN111221266A - 一种适用于微电网黑启动的仿真测试系统和测试方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于微电网黑启动的仿真测试系统和测试方法，工作站通过MATLAB/SIMULINK软件生成微电网仿真拓扑模型发送到仿真机中运行，工作站通过MATLAB/stateflow软件的自动代码生成技术生成微电网黑启动控制策略发送到控制器，仿真机通过功率放大器实现对模拟分布式电源设备的功率级控制，根据微电网黑启动控制策略进行仿真，控制器采集仿真机的仿真测试结果，验证微电网黑启动控制策略的正确性。本发明能够实现微电网仿真拓扑模型与分布式电源设备之间的功率交互，研究功率级分布式电源模拟器对微电网黑启动的影响，结合MATLAB自动代码生成技术开发微电网黑启动控制策略，说明分布式电源设备对微电网黑启动的影响并验证微电网黑启动控制策略的正确性。

Description

一种适用于微电网黑启动的仿真测试系统和测试方法

技术领域

本发明涉及微电网黑启动保护控制领域，尤其涉及一种适用于微电网黑启动的仿真测试系统和测试方法。

背景技术

微电网黑启动技术主要是研究当电力系统发生故障出现大停电状态时，微电网系统不依靠其他外部系统的帮助，通过查找本系统中可以实现自启动的电源，带动微电网系统中其它没有自启动能力的电源，进而实现微电网系统的稳定运行。

国内对微电网黑启动的研究由来已久，如文献“储能型风电场作为电网黑启动电源的关键技术问题”中利用储能型风电场作为电网黑启动电源的技术方案，实现系统黑启动。文献“基于RTDS的蒙西电网黑启动和风电参与黑启动的研究”，提出了风电参与蒙西电网黑启动的方法，并通过RTDS仿真软件进行仿真验证。文献“基于PSCAD的电力系统黑启动方案校验”，提出了通过离线仿真制定合理的黑启动应急方案，实现系统黑启动运行控制。文献“含微电网电力系统黑启动策略研究”，主要从黑启动电源的选择，启动方式等方面说明黑启动原理。文献“含有分布式电源的微电网黑启动研究”，提出了一种串行恢复的微电网黑启动优化控制方案。文献“一种海岛微电网黑启动的系统及方法”提出采用直驱式波浪发电系统作为黑启动电源，采用波浪发电机组，储能设备和无功补偿装置协调控制，通过有序地投入波浪发电机组，恢复海岛微电网供电。专利“一种电力系统黑启动综合校核系统及其方法技术方案”提出将黑启动诸多技术校验问题在同一系统平台上完成，通过对给定的黑启动方案进行过电压校验、辅助启动时电压频率校验以及自励磁校验中的全部内容进行校验计算。文献“基于解耦思想的电力系统黑启动策略研究”提出一套基于解耦思想的电力系统黑启动策略，从电力系统黑启动中需要关注主要问题入手，总结一般的电力系统黑启动过程，并根据其一般特性，将这个复杂的多目标过程分解成多个子问题。文献“电力系统黑启动过程中线路继电保护运行分析”分析常见的线路保护装置在黑启动过程中拒动问题，提出黑启动过程中线路保护配置的一些基本原则。

目前国内针对微电网黑启动的研究多数处于理论研究阶段，原因在于实际对黑启动的测试，需要对电力系统进行大面积的停电，该测试方案投入巨大，且大面积停电对国民经济照成严重的损失。国内学者研究微电网的黑启动控制策略多数采用基于模型的离线仿真。该种方法从电气量的角度分析分布式电源对微电网黑启动的影响，并没有通过接入真实的分布式电源进行测试。

发明内容

本发明提供一种适用于微电网黑启动的仿真测试系统和测试方法，能够实现微电网仿真拓扑模型与分布式电源设备之间的功率交互，研究功率级分布式电源模拟器对微电网黑启动的影响，结合MATLAB自动代码生成技术开发微电网黑启动控制策略，说明分布式电源设备对微电网黑启动的影响并验证微电网黑启动控制策略的正确性。

为了达到上述目的，本发明提供一种适用于微电网黑启动的仿真测试系统，包含：两两之间进行数据交换的工作站、仿真机和控制器，仿真机连接多个功率放大器，每个功率放大器连接一组模拟分布式电源设备；

所述的工作站生成微电网仿真拓扑模型发送到仿真机，工作站生成微电网黑启动控制策略通过控制器发送到仿真机；

所述的仿真机用于根据所述的微电网黑启动控制策略和所述的微电网仿真拓扑模型进行仿真，所述的仿真包括通过各所述功率放大器对模拟分布式电源设备进行功率级控制。

所述的工作站上装载LABVIEW软件、MATLAB/SIMULINK软件和MATLAB/stateflow软件。

所述的模拟分布式电源设备包含：至少一个模拟光伏机组，至少一个模拟储能系统，以及至少一个模拟风场机组；

所述的模拟光伏机组包含：光伏模拟器，以及分别连接光伏模拟器和功率放大器的光伏逆变器；

所述的模拟储能系统包含：储能电池模拟器，以及分别连接储能电池模拟器和功率放大器的储能电池逆变器；

所述的模拟风场机组包含：风机模拟器，以及分别连接风机模拟器和功率放大器的风机变流器。

所述的控制器根据仿真机的仿真结果验证微电网黑启动控制策略的正确性。

所述的工作站和仿真机之间通过TCP/IP协议进行通信，所述的工作站和控制器之间通过IEC61850协议进行通信，所述的仿真机和控制器之间通过模拟量接口和数字量接口进行通信，所述的仿真机和功率放大器之间通过模拟量接口进行通信。

本发明还提供一种适用于微电网黑启动的仿真测试方法，包含以下步骤：

S1：通过所述工作站生成微电网仿真拓扑模型并发送到仿真机中运行；通过所述工作站生成微电网黑启动控制策略并发送到所述控制器；

S2：通过所述控制器将所述微电网黑启动控制策略发送到仿真机；

S3：通过所述仿真机根据所述微电网黑启动控制策略和所述微电网仿真拓扑模型进行仿真，所述仿真包括通过各所述功率放大器对所述模拟分布式电源设备进行功率级控制。

所述的工作站通过MATLAB/SIMULINK软件生成微电网仿真拓扑模型，所述的工作站通过MATLAB/stateflow软件的自动代码生成技术生成微电网黑启动控制策略。

通过各所述功率放大器对所述模拟分布式电源设备进行功率级控制包含：将仿真机中模拟分布式电源设备并网点的电压信号通过模拟量接口传输到功率放大器中；功率放大器将电压信号进行放大后接入模拟分布式电源设备。

所述的模拟分布式电源设备采集出口侧的电流信号，通过模拟量接口反馈到仿真机中。

所述仿真测试方法还包括：S4：通过所述的控制器采集仿真机的仿真测试结果，验证微电网黑启动控制策略的正确性。

所述的工作站利用LABVIEW软件生成展示界面仿真平台，提供下发微电网黑启动控制策略，以及展示微电网仿真拓扑模型和仿真测试结果的展示界面。

本发明具有以下优点：

1、测试方法由信号级仿真转变为功率级仿真，不仅能够实现微电网仿真拓扑模型与真实分布式电源设备之间的信号级交互，还能够完成微电网仿真拓扑模型与分布式电源设备之间的功率交互。

2、通过MATLAB/stateflow软件的自动代码生成技术生成微电网黑启动控制策略，无需手写代码，具有代码自动优化功能，生成的代码可读性及可移植性好。

3、利用LABVIEW软件生成展示界面仿真平台，能够直观展示微电网仿真拓扑模型的结构，仿真结果清晰，微电网黑启动控制策略下发方便，工作界面友好。

附图说明

图1是本发明提供的一种适用于微电网黑启动的仿真测试系统的示意图。

图2是本发明实施例中一种适用于微电网仿真拓扑模型的拓扑图。

具体实施方式

以下根据图1和图2，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，提供一种适用于微电网黑启动的仿真测试系统，包含：两两之间进行数据交换的工作站1、仿真机2和控制器3，仿真机2通过模拟量接口连接多个功率放大器4，每个功率放大器4连接一组模拟分布式电源设备。所述的模拟分布式电源设备包含：至少一个模拟光伏机组，至少一个模拟储能系统，至少一个模拟风场机组。进一步，所述的模拟光伏机组包含：光伏模拟器5，以及分别连接光伏模拟器5和功率放大器4的光伏逆变器6。所述的模拟储能系统包含：储能电池模拟器7，以及分别连接储能电池模拟器7和功率放大器4的储能电池逆变器8。所述的模拟风场机组包含：风机模拟器9，以及分别连接风机模拟器9和功率放大器4的风机变流器10。

所述的工作站1采用台式电脑或者笔记本电脑，工作站1上运行win7以上的操作系统，工作站1上装载LABVIEW软件、MATLAB/SIMULINK软件和MATLAB/stateflow软件。工作站1与仿真机2之间通过TCP/IP协议进行数据交换，工作站1与控制器3之间通过IEC61850通讯协议进行数据交换。所述的工作站1通过MATLAB/SIMULINK软件生成微电网仿真拓扑模型发送到仿真机2中运行，工作站1通过MATLAB/stateflow软件的自动代码生成技术生成微电网黑启动控制策略发送到控制器3，再由控制器3编译为C代码后发送到仿真机中运行，仿真机2根据微电网黑启动控制策略和微电网仿真拓扑模型进行仿真，所述的仿真包括通过各所述功率放大器对模拟分布式电源设备进行功率级控制。。

其中，所述的微电网仿真拓扑模型是一种小型发配电系统，其包含能量转换装置(功率放大器)、负荷、监控和保护装置等。

所述的微电网黑启动控制策略具备频率电压紧急控制、运行模式控制及切换、黑启动、同期合闸、过流/孤岛保护、运行告警、装置自检、故障录波等功能。

所述的工作站1利用LABVIEW软件生成展示界面仿真平台，所述的展示界面仿真平台可以实现微电网黑启动控制策略的下发，微电网仿真拓扑模型和仿真测试结果，以及测量微电网系统中的电压、电流、功率、频率等信号的展示。

所述的仿真机2采用CPU和FPGA实现，CPU采用intel酷睿i5以上型号，FPGA采用xinlinx-Virtex-7系列，CPU和FPGA通过PCle通信协议通信。仿真机2与工作站1之间通过TCP/IP协议进行数据交换，仿真机2与控制器3之间通过模拟量接口和数字量接口进行数据交换，仿真机2与功率放大器4通过模拟量接口连接。所述的FPGA实现仿真机2与其它部分之间的高速通信，所述的CPU运行微电网仿真拓扑模型的C代码，实现微电网仿真拓扑模型与分布式电源设备之间的功率交互。进一步，仿真机2通过实时将微电网系统的开关/运行状态、功率/电量等遥测、遥信信息分别通过TCP/IP协议和IEC61850协议上送到工作站1与控制器3，并且接收控制器3下发的遥控与遥调信息，另外仿真机2通过模拟量接口与功率放大器4连接，实现对分布式电源设备的功率级控制。

所述的控制器3采用DSP实现，DSP采用DSP28335。控制器3与工作站1之间通过IEC61850通讯协议进行数据交换，控制器3与仿真机2之间通过模拟量接口和数字量接口进行数据交换。所述的控制器3微电网黑启动控制策略用于微电网系统中电压、频率的稳定控制及保护，并验证所述微电网黑启动控制策略的正确性。控制器3对上通过IEC61850协议接收工作站1的微电网黑启动控制策略，并且上送收到的遥测和遥信信号给工作站1，控制器3将工作站1发送的微电网黑启动控制策略编译为C代码，控制器3对下通过模拟量接口将微电网黑启动控制策略传送到仿真机2，并且接收仿真机2发送的遥测和遥信信息。

所述的功率放大器4具有延时低和带宽高的优点，能够实现仿真机2输出的小信号到分布式电源设备所需大信号之间的转变，完成仿真机2与真实的分布式电源设备之间的信号交互，适用于分布式电源模拟器的功率硬件在环的仿真验证工作。

所述的模拟光伏机组中的光伏模拟器5及光伏逆变器6能够根据不同类型的太阳能电池阵列，在不同光照强度、温度等情况下输出电流-电压及有功功率-电压变化曲线，且具有最大功率跟踪功能。

所述的模拟储能系统中的储能电池模拟器7及储能电池逆变器8能够根据不同种类、不同参数的电池外特性，模拟储能系统运行特性，实现电压，电流及SOC性能的输出。

所述的模拟风场机组中的风机模拟器9及风机变流器10具有直驱、鼠笼全功率风力发电机控制性能的模拟功能，能够实现变速恒频输出，空载并网，有功，无功解耦控制功能，实现电动机转速/转矩调节，输出转速-功率曲线，模拟最大风能追踪功能。

在本发明的一个实施例中，还提供一种适用于微电网黑启动的仿真测试方法，包含以下步骤：

步骤S0、搭建适用于微电网黑启动的仿真测试系统，采用网线连接工作站和仿真机，实现TCP/IP协议的通信，采用网线连接工作站和控制器，实现IEC61850协议的通信，采用接口转接线连接仿真机和控制器，实现模拟量信号和数字量信号的传输，采用接口转接线连接仿真机和功率放大器，实现电压和电流信号的交互，电路连接功率放大器和模拟分布式电源设备。

步骤S1、工作站生成微电网仿真拓扑模型发送到仿真机中运行，工作站生成微电网黑启动控制策略发送到控制器中运行。

本步骤中，工作站通过MATLAB/SIMULINK软件生成微电网仿真拓扑模型，通过MATLAB/stateflow软件的自动代码生成技术生成微电网黑启动控制策略，此外工作站还利用LABVIEW软件生成展示界面仿真平台，能够提供手动下发微电网黑启动控制策略，以及展示微电网仿真拓扑模型和仿真测试结果的展示界面。

步骤S2、通过所述控制器将所述微电网黑启动控制策略发送到仿真机。

本实施例中，控制器将工作站发送的微电网黑启动控制策略编译为C代码，然后发送至仿真机。

步骤S3、通过所述仿真机根据所述微电网黑启动控制策略和所述微电网仿真拓扑模型进行仿真。

这里所述的包括通过各所述功率放大器对模拟分布式电源设备进行功率级控制。具体的，是将模拟光伏机组，模拟储能系统，模拟风场机组通过功率放大器接入仿真机中实现模拟分布式电源设备的并网，具体实现方法如下：

将仿真机中模拟分布式电源设备并网点的电压信号通过模拟量接口传输到功率放大器中；功率放大器将电压信号进行放大后接入模拟分布式电源设备；模拟分布式电源设备采集出口侧的电流信号，通过模拟量接口反馈到仿真机中。

如图2所示，本实施例中搭建的模拟分布式电源设备包含1台储能机组，1台光伏发电机组和2台风电机组，储能机组通过断路器B1接入10kV母线1，光伏发电机组通过断路器B2接入10kV母线1，第一台风电机组通过断路器B3接入66kV母线，第二台风电机组通过断路器B4接入35kV母线，负载1通过断路器B7接入10kV母线2，负载2通过断路器B8接入10kV母线2，负载3通过断路器B9接入10kV母线2，断路器B5和断路器B5串联在10kV母线1和10kV母线2之间。正常运行时所有的断路器开关为闭合状态，其中，光伏机组，风场机组，储能机组来自于外部真实的模拟分布式电源设备，并通过功率放大器与仿真机进行数据交互。

步骤S4、通过所述的控制器采集仿真机的仿真测试结果，验证微电网黑启动控制策略的正确性。

如前所述，仿真机通过功率放大器实现对模拟分布式电源设备的功率级控制，同时仿真机实时将微电网系统的遥测、遥信、遥控和遥调信息等仿真结果发送给控制器，控制器采集仿真机的仿真测试结果，根据遥测、遥信、遥控和遥调信息判断系统运行是否稳定，开关动作是否合理，从而验证所述微电网黑启动控制策略的正确性，并将仿真测试结果发送给工作站中的展示界面仿真平台进行展示。

所述的微电网黑启动控制策略一般包含：

查找微电网系统的停电原因，并采用SCADA数据采集与监视控制系统对微电网系统的重要节点状态进行监测，排除其它隐性故障。

查找微电网系统可自启动的分布式电源设备，如有多个系统，则根据情况(根据电源、负荷，传输距离分布情况，计算微电网潮流分布，得出子系统的分割)将微电网系统分割成多个子系统。

调整各子系统中相应设备的参数整定值及保护控制策略。

同时启动各子系统中具有自启动能力的分布式电源设备，实时监控各子系统中的数据，保证电压频率的稳定性。

各个子系统稳定后将启动功率传输到其它机组，实现各个子系统的独立运行。

逐个将恢复后的子系统实现并列运行，并实时监控电压频率等信号，保证微电网系统运行的可靠性。

待微电网系统运行稳定后，逐个将未恢复的负荷实现并网运行。

如图2所示，在本发明的一个实施例中，所述的微电网黑启动控制策略包含：

1、微电网系统大面积停电后，查找微电网系统停电原因，监控微电网系统重要节点的运行状态，排除隐患；

2、断路器B1闭合，储能机组自启动；

3、断路器B7闭合，投入负载1；

4、待微电网系统运行稳定后，断路器B2闭合，实现光伏发电机组并网；

5、断路器B8闭合，投入负载2；

6、待微电网系统运行稳定后，断路器B4闭合，第二台风电机组自启动；

7、待微电网系统运行稳定后，断路器B3闭合，第一台风电机组自启动；

8、断路器B9闭合，投入负载3，待微电网系统运行稳定后即黑启动完成。

本发明提供的一种适用于微电网黑启动的仿真测试系统和测试方法，实现微电网仿真拓扑模型与分布式电源设备之间的功率交互，研究功率级分布式电源模拟器对微电网黑启动的影响，结合MATLAB自动代码生成技术生成微电网黑启动控制策略，说明分布式电源设备对微电网黑启动的影响并验证微电网黑启动控制策略的正确性。

本发明具有以下优点：

1、测试方法由信号级仿真转变为功率级仿真，不仅能够实现微电网仿真拓扑模型与真实分布式电源设备之间的信号级交互，还能够完成微电网仿真拓扑模型与分布式电源设备之间的功率交互，具有以下有益效果：

1.1、功率级硬在环测试，填补了分布式电源控制器信号级与台架级测试之间的空缺，可以实现高电压、高电流、高功率的仿真。

1.2、功率级硬件在环仿真可以在没有真实的光伏电池板情况下，结合光伏模拟器实现不同类型的太阳能电池阵列在不同光照强度、温度等情况下输出电流-电压及有功功率-电压变化曲线，且具有最大功率跟踪功能。

1.3、功率级硬件在环仿真可以在没有真实风机设备的情况下，模拟直驱、鼠笼全功率风力发电机控制性能，实现变速恒频输出，空载并网，有功，无功解耦控制功能，实现电动机转速/转矩调节，输出转速-功率曲线，模拟最大风能追踪功能。

1.4、功率级硬件在环仿真可以在没有真实储能电池的情况下，根据不同种类，不同参数的电池外特性，模拟储能系统运行特性，实现电压，电流及SOC性能的输出。

2、通过MATLAB/stateflow软件的自动代码生成技术生成微电网黑启动控制策略，具有以下有益效果：

2.1、无需手写代码，特别适用于没有开发代码经验的人员。

2.2、软件本身具有代码自动优化功能，开发者不必担忧生成的代码过于繁琐，影响运行效率。

2.3、生成的代码可读性及可移植性好。

3、利用LABVIEW软件生成展示界面仿真平台，能够直观展示微电网仿真拓扑模型的结构，仿真结果清晰，微电网黑启动控制策略下发方便，工作界面友好。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (12)

1.一种适用于微电网黑启动的仿真测试系统，其特征在于，包含：两两之间进行数据交换的工作站、仿真机和控制器，仿真机连接多个功率放大器，每个功率放大器连接一组模拟分布式电源设备；

所述的工作站生成微电网仿真拓扑模型发送到仿真机，工作站生成微电网黑启动控制策略通过控制器发送到仿真机；

所述的仿真机用于根据所述的微电网黑启动控制策略和所述的微电网仿真拓扑模型进行仿真，所述的仿真包括通过各所述功率放大器对模拟分布式电源设备进行功率级控制。

2.如权利要求1所述的适用于微电网黑启动的仿真测试系统，其特征在于，所述的工作站上装载LABVIEW软件、MATLAB/SIMULINK软件和MATLAB/stateflow软件。

3.如权利要求1所述的适用于微电网黑启动的仿真测试系统，其特征在于，所述的模拟分布式电源设备包含：至少一个模拟光伏机组，至少一个模拟储能系统，以及至少一个模拟风场机组。

4.如权利要求2所述的适用于微电网黑启动的仿真测试系统，其特征在于，所述的模拟光伏机组包含：光伏模拟器，以及分别连接光伏模拟器和功率放大器的光伏逆变器；

所述的模拟储能系统包含：储能电池模拟器，以及分别连接储能电池模拟器和功率放大器的储能电池逆变器；

所述的模拟风场机组包含：风机模拟器，以及分别连接风机模拟器和功率放大器的风机变流器。

5.如权利要求1所述的适用于微电网黑启动的仿真测试系统，其特征在于，所述的控制器根据仿真机的仿真结果验证微电网黑启动控制策略的正确性。

6.如权利要求1所述的适用于微电网黑启动的仿真测试系统，其特征在于，所述的工作站和仿真机之间通过TCP/IP协议进行通信，所述的工作站和控制器之间通过IEC61850协议进行通信，所述的仿真机和控制器之间通过模拟量接口和数字量接口进行通信，所述的仿真机和功率放大器之间通过模拟量接口进行通信。

7.如权利要求1-6中任意一项所述的适用于微电网黑启动的仿真测试系统的仿真测试方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1：通过所述工作站生成微电网仿真拓扑模型并发送到仿真机中运行；通过所述工作站生成微电网黑启动控制策略并发送到所述控制器；

S2：通过所述控制器将所述微电网黑启动控制策略发送到仿真机；

S3：通过所述仿真机根据所述微电网黑启动控制策略和所述微电网仿真拓扑模型进行仿真，所述仿真包括通过各所述功率放大器对所述模拟分布式电源设备进行功率级控制。

8.如权利要求7所述的适用于微电网黑启动的仿真测试方法，其特征在于，所述的工作站通过MATLAB/SIMULINK软件生成微电网仿真拓扑模型，所述的工作站通过MATLAB/stateflow软件的自动代码生成技术生成微电网黑启动控制策略。

9.如权利要求7所述的适用于微电网黑启动的仿真测试方法，其特征在于，通过各所述功率放大器对所述模拟分布式电源设备进行功率级控制包含：将仿真机中模拟分布式电源设备并网点的电压信号通过模拟量接口传输到功率放大器中；功率放大器将电压信号进行放大后接入模拟分布式电源设备。

10.如权利要求9所述的适用于微电网黑启动的仿真测试方法，其特征在于，所述的模拟分布式电源设备采集出口侧的电流信号，通过模拟量接口反馈到仿真机中。

11.如权利要求7所述的适用于微电网黑启动的仿真测试方法，其特征在于，还包括：

S4：通过所述的控制器采集仿真机的仿真测试结果，验证微电网黑启动控制策略的正确性。

12.如权利要求7所述的适用于微电网黑启动的仿真测试方法，其特征在于，所述的工作站利用LABVIEW软件生成展示界面仿真平台，提供下发微电网黑启动控制策略，以及展示微电网仿真拓扑模型和仿真测试结果的展示界面。

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